數模轉換器構成開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和“設定后便不需再過(guò)問(wèn)

當選擇數模轉換器 (DAC) 時(shí)，設計師可以從種類(lèi)繁多的 IC 中選擇。DAC 可以針對具體的應用劃分成很多不同類(lèi)別。不過(guò)，DAC 的劃分也可以簡(jiǎn)化，僅分成 DC 或低速調節所需的 DAC和產(chǎn)生高速波形所需的 DAC。 本文專(zhuān)注于低速應用所需的 DAC，而無(wú)論該應用是低分辨率還是高分辨率、是粗略調節還是精細調節。

就選擇低速 DAC 而言，決定設計是閉環(huán)、開(kāi)環(huán)或“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”的系統是很重要。每一種設計都需要一個(gè)具某些關(guān)鍵性能規格的 DAC。

閉環(huán)系統包括一條反饋通路，以檢測和校準任何誤差。傳感器根據諸如伺服電動(dòng)機、流量閥或溫度檢測單元等的物理參數監視輸出。然后傳感器將數據饋送回控制器，而控制器則利用這個(gè)信息決定是否需要校正。

DAC 和模數轉換器 (ADC) 是位于閉環(huán)系統核心的關(guān)鍵組件。DAC 用在前饋通路中以調節系統，ADC 用在反饋通路中，以監視這些調節的效果。它們一起施加和檢測模擬控制信號，以真實(shí)地調節它們控制的參數。

電動(dòng)機控制是這類(lèi)閉環(huán)系統的一個(gè)例子，如圖 1 中詳細說(shuō)明的那樣。首先，將一個(gè)想要的輸出 (設定點(diǎn)) 加到控制器上，控制器對這個(gè)輸出和反饋信號進(jìn)行比較。如果需要校正，那么控制器會(huì )調節 DAC 的輸入編碼，然后 DAC 在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓。該 DAC 的輸出電壓通過(guò)一個(gè)功率放大器放大，以給電動(dòng)機提供所需的驅動(dòng)電流。

在這個(gè)閉環(huán)系統的下一級，用一個(gè)轉速計測量電動(dòng)機的旋轉速度。旋轉信號是該閉環(huán)系統的實(shí)際輸出或可變過(guò)程。ADC 將該轉速計的輸出數字化，并將數據發(fā)送到控制器，在控制器中，由算法決定是否需要在 DAC 輸出以及最終的電動(dòng)機上進(jìn)行任何校正。采用這種方式，誤差被降到可接受的水平。理想情況下，反饋允許閉環(huán)系統消除所有誤差，從而有效地限制噪聲、溫度、外 力或其他不想要的信號等任何誤差來(lái)源的影響。

閉環(huán)系統的性能取決于準確的反饋通路，包括傳感器和 ADC。本質(zhì)上，反饋通路補償了前饋通路的誤差。因為 DAC 在前饋通路中，其積分非線(xiàn)性 (INL) 誤差就自動(dòng)得到了補償。INL 誤差是 DAC 輸出端實(shí)際的傳遞函數與理想傳遞函數之間的偏差。不過(guò)，DAC 必須有良好的差分非線(xiàn)性 (DNL)，并且必須相對于數據表中規定的位數呈單調性。DNL 誤差是 DAC 模擬輸出端的實(shí)際電壓變化與理想電壓步進(jìn) (等于 DAC 輸入編碼中 1 個(gè)最低有效位 (LSB) 步進(jìn)) 之差。單調的 DAC 意味著(zhù)，模擬輸出始終隨著(zhù)數字編碼的提高而提高或保持與其相同 (反之亦然)。始終大于 -1LSB 的 DNL 規格意味著(zhù)單調性。圖 2 顯示 DAC 模擬輸出電壓相對于 DAC 輸入編碼的傳遞函數。

如果 DAC 不是單調的，那么會(huì )存在一個(gè)負反饋變成正反饋的區域。這可能導致振蕩，而振蕩最終可能毀壞電動(dòng)機。

開(kāi)環(huán)系統沒(méi)有反饋通路。這意味著(zhù)，系統自身必須是準確的。開(kāi)環(huán)控制對于良好定義的系統是有用的，在這類(lèi)系統中，輸入編碼及其在負載上所導致行動(dòng)之間的關(guān)系是已知的。如果負載不是非?？深A測的，那么最好使用閉環(huán)控制。

開(kāi)環(huán)系統的一個(gè)例子如圖3所示。在這個(gè)例子中，DAC 驅動(dòng)凌力爾特穩壓器 LT3080 的 SET 電壓引腳。SET 引腳是誤差放大器的輸入和輸出電壓的調節設定點(diǎn)。LT3080 的輸出電壓范圍為 0V 至絕對最大額定輸出電壓。

DAC 的分辨率決定 SET 引腳調節的步進(jìn)大小。例如，一個(gè)具有 5V 基準的 8 位 DAC 有 5V / 28 = 19.5mV 的 LSB。一個(gè)具有同樣 5V 基準的 12 位 DAC 有 1.2mV 的 LSB，一個(gè) 16 位 DAC 有 76µV 的 LSB。這意味著(zhù)，就一個(gè)理想 DAC 而言，數字編碼每增大一次，模擬輸出都應該增加 76µV。

開(kāi)環(huán)系統中的其他重要參數包括偏移、增益誤差、基準電壓誤差以及這些參數隨時(shí)間和溫度變化的穩定性。INL 尤其重要，因為與閉環(huán)系統相比，DAC 的 INL 對系統的總體線(xiàn)性度有直接影響。

DAC 線(xiàn)性度起到重要作用的第三種應用是“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”的系統。在這類(lèi)系統中，調節或校準只進(jìn)行一次，也許在制造時(shí)或安裝時(shí)。因此，這類(lèi)系統一開(kāi)始是一 種閉環(huán)系統，然后又變成開(kāi)環(huán)的。所以，與初始準確度 (偏移、增益誤差、INL) 有關(guān)的任何參數都不關(guān)鍵，因為這些參數在調節時(shí)都得到了補償。但是一旦反饋去掉，穩定性就變得很關(guān)鍵了。表明穩定性的數據表性能規格包括：增益誤差漂移、 失調和基準漂移。